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JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier 2012 1 Romain PAIN Doctorant 2 ème année DAAP/MHL Encadrant ONERA:Pierre-Elie Weiss Directeur de thèse:Sébastien.

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1 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Romain PAIN Doctorant 2 ème année DAAP/MHL Encadrant ONERA:Pierre-Elie Weiss Directeur de thèse:Sébastien Deck Bourse:Cofinancement CNES / ONERA Simulation numérique de dispositifs de contrôle du buffeting culot et de lovalisation de la tuyère sur des configurations de lanceur

2 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Contexte de létude Ariane 5 au décollage [2]. [1] Östlund et al, Applied Mechanics Reviews, May [2] Ariane 5 au décollage – Site internet ONERA.fr, Zone darrière-corps : écoulement fortement turbulent et caractérisé par des décollements massifs. >> La dynamique du champ de pression fluctuante est pilotée par des modes azimutaux (m=1,…,n). Simulation numérique darrière-corps de type lanceur. m=1 mode Buffeting antisymétrique – charges latérales m=2 mode Ovalisation tuyère – symétrique – Ovalisation de la tuyère Modes de vibrations de la tuyère – a) Mode pendule b) mode dovalisation. Issu de [1]. b) a)

3 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Objectifs scientifiques Comprendre lorganisation du champ de pression Proposer des systèmes de contrôle de lovalisation de tuyère (mode m=2) au moment du décollage. m=1 mode Buffeting antisymétrique – charges latérales m=2 mode Ovalisation tuyère – symétrique – Ovalisation de la tuyère b) a)

4 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Synthèse bibliographique Fréquences caractéristiques de lécoulement Kelvin-HelmholtzFormation des instabilités de Kelvin-Helmholtz FlappingBattement de la couche de mélange Impact of coherent structuresImpact de la couche de mélange sur la paroi de lémergence Vortex SheddingLâcher tourbillonnaire Nombre de Strouhal :

5 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Plan de travail I.Étude bibliographique Écoulement décollés recollés. Recensement des fréquences caractéristiques (associées aux modes 1 et 2). II.Analyse physique de la dynamique de lécoulement Identification des mécanismes physiques à lorigine du mode m=2. Évaluation / choix / développement doutils de post-traitement pour analyser / quantifier leffet de chaque mode sur la dynamique de lécoulement. III.Identification des zones de réceptivité potentielle pour le contrôle du mode m=2 Étude des modes dynamiques (Collaboration: J. C. Robinet – SINUMEF). Analyse spectrale approfondie (spectres, corrélations 1 et 2 points). IV.Contrôle du mode m=2 Définition et mise en œuvre dune méthode de contrôle orientée par les observations de la partie II. V.Estimation des effets du contrôle Évaluation / choix / développement doutils de post-traitement pour analyser leffet du contrôle sur la dynamique de lécoulement.

6 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Avancement des travaux (1/6) Géométrie simplifiée de type Ariane 5: Maillage structuré - 32 Millions de points: 240 points dans la direction azimutale Méthode de simulation: Hybride URANS/LES (ZDES) [3] Temps dacquisition signal: 200 ms (stockage des volumes autour de lémergence du cylindre central) Configuration tri-corps type Ariane 5 et plans de coupe du maillage. Plans, points (ci-dessus) et volumes (ci-dessous) échantillonnés au cours du calcul. [3] Deck, Theoretical Computational Fluid Dynamics, in press, 2011.

7 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Analyse du champ statistique (1/2) Organisation « bi-lobes » des coefficients de pression pariétale moyenne. Organisation « quadri-lobes » des coefficients de pression pariétale RMS. Avancement des travaux (2/6) Cp. Cp rms.

8 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Avancement des travaux (3/6) Analyse du champ statistique (2/2) Recollement solide sur émergence dans le plan (NB) – Recollement solide sur les cylindres latéraux dans le plan (B). Longueur de recollement (L r ) réduite de 26 % dans plan (NB) du cas tri-corps par rapport au cas axisymétrique. Cas axisymétrique – Cp et Cp rms issu de [4]. Cas tri-corps – Cp et Cp rms dans les deux plans de symétrie: (haut) plan (B) et (bas) plan (NB). [4] Weiss et al, Phys. Fluids, 2009.

9 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Avancement des travaux (4/6) Analyse du champ instantané (1/2) Départ des instabilités de type Kelvin- Helmholtz au niveau du point de décollement. Structures cohérentes 2D de la couche de mélange rapidement tridimensionnalisées. Cas tri-cops - Isosurfaces de critère Q adimensionné et strioscopie numérique dans les plans (NB) (haut) et (B) (bas). 6 Capteur 6 Capteur Capteur 0Capteur 3

10 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Avancement des travaux (5/6) Analyse du champ instantané (2/2) Cas darrière-corps axisymétrique: localisation des contributions énergétiques fortes pour quatre fréquences caractéristiques principales. Cas axisymétrique - Isosurfaces correspondant à 60 % de la valeur maximale de fG(f)/P dyn ² pour quatre fréquences caractéristiques.

11 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Avancement des travaux (6/6) Cas avec contrôle fluidique Lorganisation globale de la pression moyenne et RMS persiste malgré les jets fluidiques continus au niveau du culot. Cp dans les plans (NB) et (B) et à la paroi. Cp rms dans les plans (NB) et (B) et à la paroi.

12 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Synthèse Une nette influence des cylindres latéraux apparaît avec la modification de: La direction et la longueur moyenne de recollement (L r ). Lorganisation des Cp et Cp rms pariétaux. Lorganisation des Cp et Cp rms ne semble pas être affectée par le dispositif de contrôle appliqué. Létude du champ instantané a été initiée sur la première partie du signal dacquisition.

13 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Publications/Communications congrès – Formation doctorale Publication(s) prévue(s): AIAA Journal (Rédaction en cours). Physics Of Fluids (Rédaction en cours). Participation à un congrès prévue: ETMM9 (ERCOFTAC), 6-8 Juin 2012, Thessaloniki, Grèce (Abstract soumis). Formation doctorale: Mécanique des fluides: Simulation des écoulements turbulents, Mars 2011, Collège de X, Paris (75). Formation calcul parallèle MPI (Formation Interne ONERA), Octobre 2011, ONERA Chatillon (92). Separated Flows (Master Mécanique des Fluides UPMC – ENSAM – ENSTA - Ecole Polytechnique), Décembre 2011 – Janvier 2012, Ecole Polytechnique Palaiseau (92).

14 JDD 2012 – DAAP/MHL - R. Pain – Janvier Annexe Cas axisymétrique - Contours et Isosurfaces de fG(f)/σ² pour quatre fréquences caractéristiques.


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